При сортировке мусора особо ценится зеленое бутылочное стекло, а при вспенивании сложных составов получаются не только Афродиты. Про новый утеплитель, стойкий и к температуре, и к другим факторам внешней среды (но не из диатомитов, а на другой основе) рассказывает сотрудник томского Института физики прочности и материаловедения СО РАН кандидат технических наук Афанасий Саакович Апкарьян.
— Казалось бы, новыми материалами для строительства, в том числе, получаемыми из промышленных, а то и бытовых отходов, сегодня трудно кого-либо удивить. Правда, такие разработки реализуются вовсе не по мановению волшебной палочки, о чём шел разговор на специальном круглом столе в Новосибирске. Да, отсутствие инжинирингового звена — ключевое препятствие, характерное не только для стройиндустрии. Но бывает и так, что новый материал «не проходит» по ограничениям уже существующих технологий: необходима то слишком высокая температура (и, соответственно, энергозатраты), то целые океаны воды, то исходное сырьё требует пятнадцати этапов кропотливой обработки…
…Казалось бы, именно такая участь постигла пеностекло. Оно обладает несомненными достоинствами: низкой теплопроводностью, малой средней плотностью, высокой термостойкостью, небольшим аккумулированием теплоты и устойчивостью к тепловым ударам. Но широкому применению этого материала в промышленность препятствуют высокие энергозатраты и технологические сложности. Производство пеностекла принципиально невозможно организовать в полукустарных условиях, как это делается с пенопластом, пенополистиролом и газобетоном. А если мы начнём всё же наращивать выпуск, то столкнёмся с проблемой: откуда взять необходимое количество сырья? Казалось бы, каждая городская свалка сверкает тоннами битых бутылок… Но для качественного пеностекла необходимо разрабатывать рациональный состав шихты (исходной смеси) для каждого вида стеклобоя с соответствующими технологическими и теплотехническими режимами. И вместо чудо-материала из отходов мы получаем капризный в производстве продукт с весьма высокой себестоимостью.
А что будет, если не зацикливаться на одном только стеклобое и поискать для состава первоначального сырья другие компоненты, столь же доступные и дешёвые? Мы обратили внимание на отходы деревообрабатывающей промышленности и алюмосиликаты: и того, и другого в Томской области много. Но начали разбираться и со стеклом. Для получения пеностеклокерамики годится не какое попало, а содержащее 60-72,5% двуокиси кремния (SiO2), а также другие элементы и вещества в определённой пропорции. Самым технологически пригодным оказалось оконное стекло, зелёное бутылочное и ламповое марки СЛ96-1.
Для справки: совсем немного экономики
Главный мировой производителей пеностекла — это фирма Рittsburg Corning Europe, которая реализует продукцию 15 типов под торговой маркой «Foamglas». На сегодняшний день стоимость этого материала, производимого на заводе в Бельгии, достигает 400$/м³. Поставки его в Москву и по России проводились по цене около 600$/м³.
Отечественное пеностекло стоит меньше: в гранулах 2000–3130 рублей за кубометр, изделия (плиты, блоки и т.п) — 4300-5500. На первый взгляд, цены на другие российские теплоизолирующие материалы выглядят привлекательнее. «Кубик» керамзитобетона стоит 2400-2800 рублей, пенобетонных блоков — 1700-2600, пенополистирол (один из пенопластов) — 1540-2400, минеральная вата — 1050-1200, а кубический метр насыпного керамзита марки М400 продаётся за 800-900 рублей. Но кроме цены есть ещё и качество, точнее, сравнимые свойства: теплопроводность, термостойкость, механическая прочность, морозостойкость, возможности формования и засыпки, близость производства к потребителям.
Сравним затраты на обустройство и капитальный ремонт кровли площадью 1200 м². Для того чтобы засыпка из керамзита соответствовала засыпке из пеностеклокерамики (ПСК), необходимо соблюдать следующие параметры: насыпная плотность — у керамзита 600 кг/м³, что соответствует у ПСК 200 кг/м³; толщина засыпки для керамзита составляет 0,8 м, а для ПСК вчетверо меньше, 0.2 м.
Учитывая вышеприведенные цены, получаем результаты, представленные на рисунке. И делаем вывод: насколько для утепления кровли требуется меньше ПСК, и, соответственно, каков экономический эффект.
Важной составляющей шихты являются глинистые породы. В Томской области они отличаются сложностью минералогического состава и, кроме глинистых минералов (каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др.) содержат кварц, полевые шпаты, карбонаты, железистые, и органические примеси. Наиболее пригодными являются монтмориллонитовые и гидрослюдистые глины, с содержанием SiO2 не более 70 %, Al 2O3 - не менее 12 % , до 10 % окислов железа и буквально процент-другой органических примесей. Наилучшие результаты получены при использовании глины Кандинского месторождения, расположенного недалеко от Томска и ведущей к нему из Новосибирска автодороги.
Отличительной особенностью предлагаемого нами состава шихты для производства пеностеклокерамики, в отличие от традиционных, стал ввод органических добавок. Точнее, древесных опилок. Их добавление позволяет:
— увеличить температуру гранул и газов в период вспенивания;
— обеспечить равномерное температурное поле по сечению гранулы;
— увеличить объём газа в период пенообразовния;
— поднять парциальное давление газа внутри гранулы;
— получить поры одинакового размера и равномерно распределённые по сечению гранулы.
Правда, опилки, как и стекло, «не все одинаково полезны». В лиственных породах в 2 – 3 раза больше, чем в хвойных, содержится пентозанов а эти соединения в присутствии воды и щелочей гидролизуются и превращаются в хорошо растворимые простые сахара, которые, в свою очередь, препятствуют сцеплению частиц шихты с древесиной. Поэтому в композициях «стеклопорошок-глина-кокс-вода» лучше использовать отходы сосны, лиственницы, ели и пихты.
Древесные опилки вводились в смесь на этапе тонкого помола стекла, что обеспечивало их измельчение до муки с получением частиц размером не более 560 мкм. При проведении исследований использовался следующий состав шихты: бой стекла 67-84 массовых процентов, глина — 8-25%, кокс — 5% и древесные опилки — 3%. Кстати, о коксе. При обосновании выбора газообразователя принималось во внимание совпадение температурных интервалов появления расплава требуемой вязкости и образования наибольшего парциального давления газов при выгорании органики. По этой причине и был выбран кокс (новокузнецкого производства).
Конечный продукт в форме гранул готовился следующим образом: стеклобой вначале измельчался в дробилке до 1,5-3,0 мм, а затем — в шаровой мельнице совместно с древесными опилками до удельной поверхности частиц 300–350 м2/кг. В этом же агрегате происходил помол кокса и глины. Все полученные порошки дозировались и загружались в стержневую вибрационную мельницу, где перемешивались и дополнительно подвергались совместной механоактивации до удельной поверхности 400 м2/кг. Полученная шихта разбавлялась водой (10-15% от массы шихты) для достижения требуемой пластичности, а затем из нее формовались гранулы размером 5-10 мм. Чтобы они не слипались, их припудривали тонкодисперсными древесными опилками и укладывали на керамический поддон. Адсорбционно связанная влага благоприятно влияет на протекание процесса вспучивания смеси, поэтому нет необходимости полного высушивания: можно начинать обжиг. Он проводился при температуре 830-850°С в течение 4-6 минут.
Характеристики | Параметры |
Средняя плотность, кг/м 3 | 200-290 |
Коэффициент теплопроводности, вт/мК | 0,06-0,085 |
Коэффициент звукопоглощения, % при частоте 600-1200 Гц | 15-20 |
Прочность при сжатии, МПа | 0,8-2,5 |
Водопоглощение, объёмных % | менее 3,0 |
Температура эксплуатации, оС | от – 50 до + 600 |
Этот отрезок времени, вероятно, можно назвать самым важным. Согласно механизму формирования силикатных пен, максимум замкнутых ячеек образуется при вспенивании гомогенных систем с оптимальной вязкостью расплавов, в которых обеспечиваются, с одной стороны, плавное и беспрепятственное пенообразование, с другой — высокая устойчивость сформировавшейся пены за счет ее структурно-механического фактора. Проще говоря, при обжиге происходит вспенивание материала гранул, и, как следствие — они становятся мелкопористыми.
Три самых важных для стройиндустрии параметра — механическая прочность на сжатие, плотность и теплопроводность — зависят от размера и количества пор, от толщины и состава перегородок. И можно сказать, что в научной лаборатории получен не просто новый строительный материал. В потенциале это своеобразный «технологический конструктор», в котором есть переменные характеристики, регулирование которых даёт разные свойства конечного продукта. Так, если мы увеличим процентное содержание глины в рациональном составе шихты, то повысим её плотность и, в результате, теплопроводность и механическую прочность гранул. По мере роста температуры — снижается вязкость расплава, увеличивается давление газа, развивается сдвигающее действие капиллярных сил.
Но строительство, как и любая технология, зиждется на стандартах. Поэтому наша работа привела к тому, что уже разработаны технические условия на гранулированный материал ТУ 5914-001-43189350-2004. Он же — пеностеклокерамика. Знакомьтесь, вот её, можно сказать, паспорт.
Гуманитарно образованному человеку ничего (или почти ничего) не скажут все эти коэффициенты и мегапаскали. Но строитель-технолог поймёт, что перед ним нечто весьма привлекательное: легкие, почти не гигроскопичные гранулы, очень плохо пропускающие тепло и плохо — звук. Пеностеклокерамикой можно изолировать, например, нагревательный котёл, хоть в Крыму, хоть на севере Якутии. Использовать её для изоляции межэтажных и чердачных перекрытий, ограждающих конструкций, тепловых установок и сетей.
Да мало ли ещё для чего?
Андрей Соболевский
Фото предоставлены А. Апкарьяном